Fonte: Physical Review Letters | Fotos: Freepik
Simulações computacionais ajudam cientistas de materiais e bioquímicos a estudar o movimento de macromoléculas, impulsionando o desenvolvimento de novos medicamentos e materiais sustentáveis. No entanto, essas simulações representam um desafio até mesmo para os supercomputadores mais potentes.
Um estudante de pós-graduação da Universidade de Oregon desenvolveu uma nova equação matemática que melhora significativamente a precisão dos modelos computacionais simplificados usados para estudar o movimento e o comportamento de grandes moléculas, como proteínas, ácidos nucleicos e materiais sintéticos como plásticos.
A descoberta, publicada na revista Physical Review Letters, aprimora a capacidade dos pesquisadores de investigar o movimento de grandes moléculas em processos biológicos complexos, como a replicação do DNA. Isso pode ajudar a compreender doenças relacionadas a erros nessa replicação, levando potencialmente a novas estratégias de diagnóstico e tratamento.
“Queremos entender como as moléculas se movem, giram e funcionam”, disse Jesse Hall, doutorando em física que trabalhou com a professora de química e física teórica Marina Guenza no desenvolvimento do novo modelo. “Com essa nova equação, podemos simular complexos proteicos maiores e obter uma compreensão mais profunda de como essas máquinas moleculares funcionam no corpo.”
A pesquisa de Hall avançou em um problema que cientistas da computação enfrentam há mais de 50 anos: como calcular com precisão o atrito que as biomoléculas experimentam em seu ambiente caótico e viscoso.
As biomoléculas — moléculas produzidas por organismos vivos, como as proteínas — estão cercadas por milhares de moléculas de água, além de outras proteínas, ácidos nucleicos e diversos tipos de moléculas. Nesse ambiente, elas estão em constante movimento: dobram, desdobram e se ligam a ácidos nucleicos e outras proteínas.
“Elas ficam se contorcendo ali, e a mecânica do que fazem é muito importante para entender como funciona a replicação do DNA ou desenvolver medicamentos que atuem em determinado mecanismo”, disse Hall.
Em vez de sintetizar amostras físicas para estudo, os cientistas usam modelos computacionais como um laboratório virtual. Isso permite alterar as moléculas analisadas modificando seu código e, assim, estudar os efeitos das mudanças.
“Quando se tem um bom modelo simplificado (coarse-grained), é possível simular sistemas grandes”, disse Guenza, coautora do estudo. “Por exemplo, podemos ver como moléculas se movem juntas, se rearranjam, se combinam e funcionam como uma máquina. É possível trocar um aminoácido e observar como a mutação afeta o desempenho biológico das moléculas.”
Como os sistemas biomoleculares são muito grandes e complexos, os pesquisadores dependem de modelos matemáticos simplificados, que simulam os movimentos moleculares sem precisar representar cada átomo individualmente. Isso ajuda a reduzir os custos computacionais e acelera os cálculos.
Segundo Guenza, a equação de Hall é a primeira a descrever simultaneamente o atrito relacionado tanto às flutuações internas quanto à difusão externa da molécula no fluido. “É uma solução brilhante”, afirmou. “O trabalho de Jesse fornece uma ferramenta altamente precisa que pode ser aplicada a sistemas moleculares simples e complexos, tornando as simulações desses grandes sistemas mais rápidas e precisas.”
